超聲技術在鋰離子電池的測試和分析中展現出較高的成本效益和廣闊的發展前景。

全球電動汽車和固定式儲能系統（ESS）市場的鋰離子電池的生產和供應正在以指數級增長。同時，制定更安全高效的電池測試、管理與再利用解決方案也已經成為未來實現完全“零”排放目標的重要一步。

電動汽車的設計制造代表了汽車行業中的一個重大“范式轉換”，如新的駕駛系統、技術和測試項目。這一變革帶來了新的挑戰，同時也促進了汽車電子架構與軟件的發展。

如何有效測試電池組以及電池管理系統（BMS）是電動汽車需要解決的一個重要的驗證與安全問題。BMS是一個復雜的電子系統，用于監控電池組的性能、安全以及管理其內部儲存的大量電能。電池或系統失效可能會對電動汽車造成重大影響，如引發火災或爆炸。

許多軟硬件故障都會影響鋰離子電池的安全性，而熱失控故障是導致鋰離子電池失效的罪魁禍首。除此之外，電池失效的主要原因還包括析鋰、滯留能量、傳感器與控制的精度與復原問題，以及老化問題等。

超聲技術可以幫助實現精度、安全與性能更為出色的鋰電池測試、管理與再利用，展現了出色的成本效益和廣闊的應用前景。超聲波是一種頻率高于20kHz（超出人類的聽覺范圍）的聲波，作為一種安全性得到證實的無損檢測技術已有多年的應用歷史。最常見的應用，比如孕婦的超聲檢查，為“看到”腹中胎兒的父母帶來歡樂。除了醫療方面的應用外，超聲技術也用于探測距離、工藝材料、化學品，以及建筑和軍事領域。現在，超聲波也被應用于電池的生產和檢測。

將超聲波應用于電池

電池和電動汽車的制造商以及消費電子行業的OEM都會詢問同一個問題：通過“透視”電池內部，能否提高傳統測試系統的質量、性能與安全性？

電池理想的生命周期是一個閉環系統，即電池在回收之前就已經得到了最充分的利用。雖然趨勢表明電池架構的設計越來越重視二次利用，但目前大部分電池依然是為了更好地滿足一次利用的需求，因為一次利用的時間通常是最長的。

電池管理系統（BMS）是監測和管理電池、確保其一次利用的安全及性能的主要控制裝置。傳統的BMS結合輸入電壓（V）、電流（I）與溫度（T）來確定如何安全監測鋰離子電池的輸出、荷電狀態（SoC）以及健康狀態（SoH）。但是，現有的BMS技術無法準確地測量SoC和SoH，只能進行估算，也無法在電動汽車或儲能系統（ESS）運行時測量其內部某塊電池的SoC和SoH，而且僅用軟件無法解決這一問題。

要測量電池的SoC和SoH，就要采用能夠感知電池內部變化的技術，而不是根據電池的外部變化來得出估計值。醫療中的超聲診斷應用的就是這種方法，現在也可以用于電池診斷了。

利用電容式微加工超聲換能器（CMUT）通過電池反射或發射超聲信號。然后利用機器學習（ML）算法在不同溫度和降解率下進行數千小時的電池充放電循環，對該信號進行分析和表征，并據此為每個電池建立一個計算模型。

超聲波信號通過鋰離子電池傳輸。（Ultrasound BMS）

確定電池表征后再使用超聲波測量實時SoC和SoH，便可產生高精度的結果。與此同時，動態測量會產生電池的容量和壽命數據，因此無需像傳統BMS一樣采用人工測量來彌補實時數據的不足。

表1：各種過充電條件下的超聲波性能。（Ultrasound BMS）

與傳統的BMS不同，超聲技術也可以檢測和防止熱失控，而且在發生災難性事故之前向終端用戶預警并調整電池行為。表1摘自《電源期刊》（Journal of Power Sources）總結了多種過度充電情況下的超聲波性能，而且描述了兩種類型的電池失效預警。

預警時間：當超聲波開始偏離基線時

斷電：當超聲波波動較大，預示即將發生災難性事故時

Titan Advanced Energy Solutions公司通過反復觸發四種不同的失效模式，已經確定了一種可靠的預警條件，可以預留時間來更改電池控制設置，并采用“E-stop”（斷電）模式將電池與汽車完全斷聯，以避免發生災難性事故。全球統一汽車技術法規（GTR）第20號要求在電池失效前5分鐘進行預警，以避免造成人身傷害（GTR是聯合國歐洲經濟委員會（UNECE）旗下的全球規范組織）。

圖2：評估快速充電對鋰離子電池影響的實驗數據。（Ultrasound BMS）

使用超聲波評估快速充電的相關影響（例如析鋰）的早期實驗也顯示出良好結果。圖2顯示了進行快速充電時超聲波信號特征的顯著差異（1.67C與C/4的對比）。
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簡化GIGAFACTORY的質量控制

電池失效的原因有很多：機械濫用、電氣濫用、熱濫用與管理不善，但是其根本原因通常是電池制造過程中的缺陷。工廠制造的電池并非全都一樣，電池制造業的“理想”是生產出完全同質的電池。2020年，羅蘭貝格公司發布的一份報告表示：“生產成本在整個電池成本中占據很大份額（22%），是最有希望降低電池成本的杠桿，而且這也是設備制造商們可以發揮作用的地方。”

大多數的電池質量與保修問題可以追溯至電極制造階段，因此，精簡高效的質量控制是降低電池成本的關鍵。但是因為缺乏經濟的傳感技術，從電解液填充階段到電池出廠的各個階段，我們對電池內部的了解都存在顯著不足。

用于檢測新電池異常的CT和超聲波掃描；電池單元的CT掃描（左）和超聲掃描（右）。超聲波檢測到其中一個細胞層內有撕裂，這一點通過CT掃描得到證實。超聲波還能夠清楚地檢測到其他使用CT技術未檢測到的物理異常（紫色陰影）。（Ultrasound BMS）

到目前為止，昂貴的測試技術使可檢測每塊電池的質控系統難以得到應用。而使用超聲技術，只需花費相當于現有計算機斷層掃描（CT）系統成本的一小部分，就可以對每塊異常電池進行很有價值的透視檢測。

超聲技術還可以用于在生產線上快速準確地檢測電池問題，避免在實際運行中發生問題，并減少生產報廢成本。歐洲和美國的超級電池工廠正在投資和研發超聲檢測技術，以滿足快速增長的電動汽車電池供應需求。

展望未來

超聲波在電池測試和管理中的應用仍處于早期階段。然而，它能夠“透視”電池內部并基于實時分子觀測創建模型，這使得該技術極具前景。超聲波在電池全生命周期中的多種潛在應用吸引了行業參與者與資助早期技術開發的投資商。

基于這一點，Titan Advanced Energy Solutions于2022年7月榮獲美國能源部（DOE）鋰離子電池回收獎的第三階段獎項。美國能源部設立多階段鋰離子電池回收競賽獎金，以激勵美國企業“研發并展示相關技術，在技術推廣時有潛力將美國廢棄或廢舊鋰電池的回收率提升至90%，并將回收的關鍵材料重新投入美國供應鏈。”

雖然美國能源部發起的競賽旨在最大限度提高鋰離子電池的回收率，但是Titan另辟蹊徑，極大地延長了電池在回收前的使用壽命，延遲了電池的回收時間，降低了電動汽車市場對新電池的需求。






審核編輯：劉清